용융염 원자로

Molten salt reactor
용융염 원자로 계획의 예

용융염 원자로(MSR)는 1차 원자로 냉각수 및/또는 연료가 용융염 혼합물인 핵분열 원자로의 한 종류이다.지금까지 가동된 MSR은 두 개뿐이며, 두 개 모두 미국에 있는 연구용 원자로이다.1950년의 항공기 원자로 실험은 주로 이 기술이 제공하는 소형 크기에 의해 동기 부여되었으며, 1960년의 용융염 원자로 실험증식기에서 토륨 연료 사이클을 구현하는 원자력 발전소의 개념을 증명하는 것을 목표로 하였다.제4세대 원자로 설계에 대한 연구가 늘어나면서 이 기술에 대한 관심이 다시 높아지기 시작했고, 2021년 9월 현재 중국은 TMSR-LF1 토륨 [1][2]MSR을 시작할 위기에 처해 있다.

MSR은 이미 용해된 상태에서 연료로 작동하기 때문에 기존 원자로보다 안전한 것으로 간주되며, 비상시 연료 혼합물은 노심으로부터 연료 배출 탱크에서 응고되는 격납 용기로 배출되도록 설계된다.이는 전통적인 (고체 연료) [2]원자로에서 위험에 처한 (후쿠시마 원자력 재난에서와 같이) 제어되지 않은 핵 용융과 관련 수소 폭발을 방지한다.이 원자로는 일반적인 경수로(LWR)의 75-150배 대기압이 아닌 대기압 또는 대기압 근처에서 작동하므로 LWR에 사용되는 크고 비싼 원자로 압력 용기의 필요성이 감소한다.MSR의 또 다른 장점은 가스 핵분열 생성물(XeKr)이 [a]연료염에 용해성이 많지 않고, 기존의 고체 연료 원자로에서 발생하는 것처럼 연료 수명 동안 연료 튜브 내부의 압력을 증가시키지 않고 용융 [b]연료에서 거품을 내면서 안전하게 포착할 수 있다는 것이다.MSR은 가동 중(기본적으로 온라인 핵 재처리)에 연료를 재공급할 수 있지만, 기존 원자로는 연료를 재공급하기 위해 정지해야 한다(CANDU 또는 아투차급 PHWR과 같은 중수형 원자로는 주목할 만한 예외이다.

MSR의 또 다른 주요 특징은 약 300°C(572°F)에서 기존 LWR보다 상당히 높은 약 700°C(1,292°F)의 작동 온도이며, 이는 더 큰 발전 효율성, 그리드 저장 시설의 가능성, 경제적인 수소 생산, 그리고 경우에 따라서는 프로세스 열 기회를 제공한다.관련 설계 과제에는 열염의 부식성과 소금이 원자로 노심의 중성자속(neutron flux)에 의해 변환될 때 소금의 화학적 조성의 변화가 포함된다.

MSR은 역사적 이유로 배치되지 않았지만 기존 원자력 발전소에 비해 여러 가지 이점을 제공한다.

특성.

MSR, 특히 연료가 소금에 용해된 MSR은 기존 원자로와 상당히 다르다.원자로 노심 압력은 낮을 수 있고 온도는 훨씬 높을 수 있다.이 점에서 MSR은 기존의 경수냉식 원자로보다 액체 금속 냉각식 원자로와 더 유사하다.MSR은 현재 미국 원자로에 사용되는 일회성 연료와는 달리 폐쇄적인 연료 사이클을 가진 증식 원자로로 계획되는 경우가 많다.

안전 개념은 반응도의 음온도 계수와 반응도 편차를 제한하기 위한 큰 가능한 온도 상승에 의존한다.추가적인 정지 방법으로는 원자로 아래에 별도의 수동 냉각 컨테이너가 포함될 수 있다.문제가 생겼을 때, 그리고 정기적인 유지보수를 위해, 연료는 원자로에서 배출된다.이것은 핵반응을 멈추고 두 번째 냉각 시스템 역할을 한다.중성자 생성 가속기는 일부 초안전 아임계 실험 [6]설계에 대해 제안되었다.

제안된 일부 설계의 온도는 수소 생산 또는 기타 화학 반응을 위한 프로세스 열을 생성하기에 충분히 높습니다.따라서 추가 [7]스터디를 위한 GEN-IV 로드맵에 포함됩니다.

이점

MSR은 현재의 [8]경수로에 비해 많은 잠재적 이점을 제공한다.

  • 모든 저압 원자로 설계와 마찬가지로 MSR에서 수동 붕괴 열 제거가 달성된다.일부 설계에서는 연료와 냉각수가 동일한 유체이기 때문에 냉각수의 상실은 원자로의 연료를 제거하는데, 이는 냉각수의 상실이 LWR의 감속재를 제거하는 방법과 유사하다.수증기와 달리 불소염은 물에 잘 녹지 않고 가연성 수소를 형성하지 않는다.강철이나 고체 산화 우라늄과는 달리 용해된 소금은 노심의 중성자 충격에 의해 손상되지 않지만 원자로 용기는 여전히 손상되어 있다.
  • 저압 MSR은 BWR의 고압 방사성 증기가 부족하기 때문에 방사성 증기와 냉각수가 누출되지 않으며 방사성 증기를 담는 데 필요한 고가의 격납용기, 철심용기, 배관 및 안전장비가 필요하다.그러나 대부분의 MSR 설계에서는 펌프 및 열교환기와 직접 접촉하는 방사성 핵분열 생성물을 포함하는 유체가 필요하다.
  • MSR은 느린 중성자로 작동할 수 있기 때문에 닫힌 핵연료 주기를 더 싸게 만들 수 있다.완전히 구현될 경우, 핵연료 사이클을 닫는 원자로는 환경에 미치는 영향을 감소시킨다.화학 분리는 수명이 긴 악티니드를 원자로 연료로 되돌린다.배출되는 폐기물은 대부분 반감기가 짧은 핵분열 생성물(핵재)이다.이는 경수로의 사용후 핵연료가 필요로 하는 수 만년이 아닌 300년으로 필요한 지질학적 격납을 감소시킨다.그것은 또한 토륨과 같은 대체 핵연료의 사용을 허용한다.
  • 연료의 액상은 파이로프로세싱되어 핵분열 생성물(핵재)을 액티니드 연료에서 분리할 수 있다.이는 여전히 많은 개발이 필요하지만 기존 재처리보다 장점이 있을 수 있습니다.
  • 연료봉을 제작할 필요가 없습니다(연료 소금 합성으로 대체).
  • 일부 설계는 Pu240, Pu241과 같은 문제가 있는 초우라늄 원소를 기존의 경수로에서 "소각"할 수 있는 고속 중성자 스펙트럼과 호환된다.
  • MSR은 60초 이내에 부하 변화에 반응할 수 있습니다(제논 중독을 겪는 "기존" 고체 연료 원자력 발전소와 달리).
  • 용융염 원자로는 고온에서도 가동할 수 있어 높은 열효율을 얻을 수 있다.이를 통해 규모, 비용 및 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
  • MSR은 [9]ARE에 의해 증명된 바와 같이 낮은 질량의 고출력인 높은 "특정전력"을 제공할 수 있습니다.
  • 중성자 경제성이 좋으면 MSR이 중성자 부족 토륨 연료 사이클에 매력적일 수 있다.

단점들

  • 대부분의 4세대 설계에 비해 거의 개발되지 않음
  • 순환 연료-염 설계에서 연료에 용해된 방사성핵종은 펌프 및 열교환기와 같은 주요 장비와 접촉하므로 완전히 원격되고 비용이 많이 드는 유지보수가 필요할 수 있다.
  • 일부 MSR은 노심 혼합물을 관리하고 핵분열 생성물을 제거하기 위해 온사이트 화학 처리를 필요로 한다.
  • 근본적으로 다른 설계 기능에 대응하기 위해 필요한 규제 변경
  • 일부 MSR 설계는 니켈 기반 합금을 사용하여 용융된 소금을 고정합니다.니켈과 철을 기반으로 하는 합금은 높은 중성자속 [10]: 83 하에서 부서지기 쉽습니다.
  • 부식 위험.[11]용해된 소금은 부식 위험을 처리하기 위해 산화환원 상태를 세심하게 관리해야 합니다.이것은 핵분열/연소성 동위원소와 그 변환/분열/감쇠 생성물의 복잡한 혼합이 원자로를 통해 순환되는 순환 연료-소금 설계에서 특히 어렵다.정적 연료 소금 설계는 문제를 모듈화함으로써 이익을 얻는다. 연료 소금은 주로 중성자 조사 손상으로 인한 정기적인 대체가 작동 개념의 일부인 연료 핀 안에 들어 있다. 반면 냉각수 소금은 화학 조성이 더 단순하고 적절한 산화환원 상태 관리 하에서 부식 위험을 초래하지 않는다.(산화환원 상태 관리와 관련하여 안정염 원자로의 연료 및 냉각수 소금에 대한 설명을 참조한다.)60년대에 ORNL에서 개발된 MSR은 몇 년 동안만 작동해도 안전했으며 약 650°C에서만 작동했다.잠재적 부식 위험에는 700°C 이상에서 액체 플루오르화 토륨 소금에 의한 크롬 용해가 포함되며, 따라서 스테인리스강 성분이 위험에 처하게 됩니다.중성자 방사선은 또한 Co와 Ni와 같은 다른 일반적인 합금제를 변환하여 수명을 단축할 수 있다.리튬 소금(예: FLiBe)을 사용하는 경우, 비용이 많이 드는 경우 삼중수소 생성을 줄이기 위해 7Li를 사용하는 것이 바람직하다. (트리튬은 스테인리스강에 침투하고, 취약화를 유발하며, 환경으로 유출될 수 있다.)ORNL은 이러한 문제를 해결하기 위해 하스텔로이 N을 개발했으며, 원자로에 사용할 다른 구조용 강철을 인증하려는 노력이 있다(316H, 800H, inco 617).
  • 일부 MSR 설계는 증식로를 무기급 [12]핵물질을 생산할 수 있도록 수정될 수 있다.
  • MSRE와 항공기 원자로는 핵무기 수준에 근접할 정도로 높은 농축 수준을 사용했다.이러한 수준은 발전소에 대한 대부분의 현대 규제 체제에서 불법이다.대부분의 최신 디자인은 이 [13]문제를 회피하고 있습니다.
  • 고체 감속재 재료에 대한 중성자 손상은 감속된 열 중성자를 사용하는 MSR의 노심 수명을 제한할 수 있다.예를 들어, MSRE는 흑연 감속재 스틱이 매우 느슨한 공차를 가지도록 설계되었기 때문에 중성자 손상은 손상 없이 크기를 변경할 수 있습니다."두 개의 유체" MSR 설계에서는 흑연 배관을 사용할 수 없습니다. 흑연은 중성자의 충격을 받으면 크기가 바뀌고 흑연 파이프가 갈라지고 [8]누출되기 때문입니다.고속 중성자를 사용하는 MSR은, 어떻게든 흑연을 사용해 절제를 회피할 수 없습니다.
  • 열 MSR은 고속 중성자 증식기보다 증식 비율이 낮지만, 두 배의 시간은 더 짧을 수 있습니다.

냉각수

MSR은 용융염을 사용하는 등 다양한 방법으로 냉각할 수 있습니다.

용융염 냉각 고체 연료 원자로는 4세대 제안에서 "용융염 원자로 시스템", 용융염 변환 원자로(MSCR), 첨단 고온 원자로(AHTR), 또는 불소화물 고온 원자로(FHR, 선호 DOE)[14]로 다양하게 불린다.

FHR은 연료를 쉽게 재처리할 수 없으며 제작 및 검증이 필요한 연료봉이 있어 프로젝트 시작부터 최대 20년이[citation needed] 소요됩니다.FHR은 저압, 고온 냉각수의 안전성과 비용 이점을 유지하며, 액체 금속 냉각 원자로에서도 공유됩니다.특히, 수증기는 코어(BWR에 있는 것처럼)에서 생성되지 않으며 크고 비싼 강철 압력 용기(PWR에 필요한 경우)도 생성되지 않습니다.고온에서 작동할 수 있기 때문에 열을 전기로 변환하면 효율적이고 가벼운 브레이튼 사이클 가스터빈을 사용할 수 있습니다.

현재 FHR에 대한 연구의 대부분은 용융 염의 부피와 관련 [15]비용을 절감하는 작고 콤팩트한 열 교환기에 초점을 맞추고 있습니다.

녹은 소금은 부식성이 강할 수 있으며 온도와 함께 부식성이 증가합니다.1차 냉각 루프는 고온 및 강한 방사선부식을 견딜 수 있는 재료가 필요하다.실험에 따르면 Hastelloy-N 및 이와 유사한 합금은 최대 700°C의 작동 온도에서 이러한 작업에 적합합니다.다만, 조작 경험은 한정되어 있습니다.850°C에서 수소열화학적 생산이 가능해지기 때문에 더 높은 작동 온도가 바람직하다.탄소 복합 재료, 몰리브덴 합금(예: TZM), 탄화물 및 내화 금속 기반 또는 ODS 합금이 가능할 수 있지만 이 온도 범위에 대한 재료는 검증되지 않았습니다.

민간 연구자가 제안한 해결 방법은 새로운 베타-티타늄 Au 합금을 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 안전 마진을 [citation needed]높일 뿐만 아니라 극단적인 온도 작동이 가능하기 때문입니다.

용융염 선택

용융 FLiBe

염분 혼합물은 원자로를 보다 안전하고 실용적으로 만들기 위해 선택된다.

불소

불소는 안정 19
동위원소(F)가 1개뿐이어서 중성자 충격 시 쉽게 방사능이 방출되지 않는다.
염소와 다른 할로겐화물에 비해 불소는 중성자를 덜 흡수하고 중성자를 더 느리게('가감') 한다.저가의 플루오르화물은 높은 온도에서 끓지만, 많은 오불화물과 육불화물은 낮은 온도에서 끓는다.구성 요소로 분해되기 전에 매우 뜨거워야 합니다.이러한 용융염은 끓는점보다 훨씬 낮게 유지될 때 "화학적으로 안정적"입니다.불소염은 물에 잘 녹지 않고 연소성 수소를 형성하지 않는다.

염소

염소에는 2개의 안정 35
동위원소(Cl과 Cl)와 그 사이에 Cl에 의한 중성자 흡수를 촉진하는 느린 감쇠 동위원소가 있다.

염화물은 고속 증식로를 건설할 수 있게 해준다.염화염을 사용한 원자로 설계에 대한 연구는 훨씬 적었다.염소는 불소와 달리 정제하여 더 무거운 안정동위원소 Cl을 분리함으로써 Cl이 중성자를 흡수하여 Cl이 되고, 그 후 베타 붕괴에 의해 S로 분해되는 4염화황의 생성을 감소시킨다.

리튬

리튬은 중성자를 효과적으로 포착하고 삼중수소를 생성하기 때문에 리튬은 정제된 Li의 형태여야 한다.순수한 Li를 사용하더라도, 리튬을 함유한 소금은 중수형 원자로에 버금가는 상당한 삼중수소 생산을 유발한다.

혼합물

원자로 소금은 일반적으로 녹는점을 줄이기 위해 공정 혼합물에 가깝다.낮은 녹는점은 시작 시 소금의 용융을 단순화하고 열교환기에서 냉각될 때 소금의 동결 위험을 줄입니다.

용융불소염의 높은 "레독스 창"으로 인해 용융염 시스템의 레독스 전위를 변경할 수 있다.불소-리튬-베릴륨(FLiBe)을 베릴륨 첨가제와 함께 사용하면 산화환원 전위를 낮추고 부식을 거의 제거할 수 있습니다.그러나 베릴륨은 매우 독성이 강하기 때문에 환경으로의 방출을 방지하기 위해 설계에 특별한 예방조치를 강구해야 합니다.다른 많은 소금들은 배관 부식을 일으킬 수 있으며, 특히 원자로가 반응성이 매우 높은 수소를 만들 정도로 뜨거울 경우 그렇습니다.

현재까지 대부분의 연구는 FLiBe에 초점을 맞추고 있습니다. 왜냐하면 리튬과 베릴륨은 상당히 효과적인 조정제이며 구성 소금보다 낮은 녹는점을 가진 공정염 혼합물을 형성하기 때문입니다.베릴륨은 중성자 더블링도 수행하여 중성자 경제성을 개선합니다.이 과정은 베릴륨 핵이 하나의 중성자를 흡수하고 두 개의 중성자를 방출할 때 일어난다.연료 운반염의 경우 일반적으로 UF의4 1% 또는 2%(몰 기준)가 첨가된다.토륨과 플루토늄 불화물도 사용됐다.

용융염 정제

녹은 소금을 준비하고 처리하는 기술은 ORNL에서 [16]처음 개발되었다.염정화의 목적은 산화물, 유황, 금속 불순물을 제거하는 것이다.산화물은 원자로 운전 시 고체 입자의 침적을 초래할 수 있다.황은 작동 온도에서 니켈기 합금에 부식성이 있기 때문에 제거되어야 합니다.부식 제어를 위해 크롬, 니켈 및 철과 같은 구조용 금속을 제거해야 합니다.

HF 및 헬륨 스위프 가스를 이용한 수분 함량 감소 정화 단계를 400°C에서 실행하도록 지정했습니다.소금 혼합물의 산화물과 황 오염은 소금을 600 °C까지2 가열하여 [16]: 8 HF – H 혼합물의 가스 스파링을 사용하여 제거하였다.소금 혼합물의 구조적 금속 오염은 700°[16]: 26 C에서 수소 가스 스파링을 사용하여 제거했다.산화물 [17]제거를 위한 안전한 대안으로 고체 플루오르화 암모늄이 제안되었다.

용융염 가공

온라인 처리의 가능성은 MSR의 이점이 될 수 있습니다.연속 가공은 중성자 흡수 단면이 높은 핵분열 생성물, 특히 제논을 제거함으로써 핵분열 생성물의 재고를 줄이고 부식을 제어하며 중성자 경제를 개선할 수 있다.따라서 MSR은 중성자 부족 토륨 연료 사이클에 특히 적합하다.온라인 연료 처리는 연료 처리 [18]: 15 사고의 위험을 초래하여 방사성 동위원소의 방출을 촉발할 수 있다.

일부 토륨 증식 시나리오에서는 중간 생성물프로탁티늄 Pa가 원자로에서 제거되어 매력적인 폭탄 제조 물질인 고순도 U로 붕괴될 수 있다.보다 현대적인 디자인은 낮은 비출력 또는 별도의 토륨 사육 담요를 사용할 것을 제안합니다.이는 그리 없을 정도로 급속도 프로트 악티늄은 원자나,(n, 2n)반응(기관에 입사 중성자지만 대신 핵을 중성자 문을 두드리지 흡수되지 않다)을 통해, 232U을 창출하지 두번째 중성자 흡수하다. 232U과 그 붕괴 사슬 열심히 감마 배출국이 포함된 짧은 반감기고 있는 반면, 동위 원소 혼합을 만든다 o.이 프로트 악티늄 희석시키고 있어f장과형폭탄 제조에는 덜 매력적이죠이 혜택은 더 큰 핵분열성 재고 또는 다량의 블랭킷 소금이 포함된 2-유체 설계의 추가 비용이 수반될 것이다.

필요한 연료 소금 재처리 기술은 실험실 규모에서만 입증되었습니다.본격적인 상업용 원자로 설계의 전제조건은 경제적으로 경쟁력 있는 연료염 정화 시스템을 설계하기 위한 연구개발이다.

연료 재처리

MSR 고속 중성자 성분 변화(kg/GW)

재처리는 핵분열성 우라늄과 플루토늄을 사용후 [19]연료에서 화학적으로 분리하는 것을 말한다.이러한 회복은 핵 확산의 위험을 증가시킬 수 있다.미국의 규제 체제는 행정부에 [19]따라 크게 달라졌습니다.

비용 및 경제성

2020년부터의 체계적인 문헌 검토 결과, MSR의 경제 및 재무에 관한 정보는 매우 제한적이며, 정보의 질은 낮으며, 비용 추정은 [20]불확실하다고 결론지었다.

방사성연료가 연료핀 내에 용융염으로 포함되어 있고 1차 회로가 방사능이 아닌 안정염 원자로(SSR)의 경우 운용비용이 [21][verification needed][additional citation(s) needed]낮아질 가능성이 높다.

용융염 원자로의 종류

많은 설계 변형이 제안되었지만, 용융 소금의 역할과 관련하여 세 가지 주요 범주가 있습니다.

카테고리
용융 소금 연료 - 순환 ARE • AWB • CMSRDMSREvolLFTRIMSRMSREDFRTMSR-500TMSR-LF
용융 소금 연료 - 정전기 SSR
용융염 냉각수만 해당 FHR • TMSR-SF

용해된 소금을 연료 및 냉각수로 사용하는 것은 독립적인 설계 옵션입니다. 즉, 원래의 순환 연료 소금 MSRE와 최근의 정적 연료 소금 SSR는 소금을 연료로, 소금은 냉각수로 사용합니다. DFR은 소금을 연료로, 금속은 냉각수로 사용합니다. FHR은 고체 연료이지만 소금은 냉각수로 사용합니다.

디자인

MSR은 버너 또는 브리더가 될 수 있습니다.그것들빠르거나 열적이거나 발열적일 수 있다.열원자로는 일반적으로 감속재(일반적으로 흑연)를 사용하여 중성자를 감속하고 온도를 낮춘다.다양한 연료(저농축 우라늄, 토륨, 열화 우라늄, 폐기물)[22]와 냉각제(불화물, 염화물, 리튬, 베릴륨, 혼합물)를 사용할 수 있습니다.연료 사이클은 닫히거나 한 번 [23]통과될 수 있습니다.일체형 또는 모듈형, 크거나 작을 수 있습니다.리액터는 루프, 모듈러 또는 일체형 구성을 채택할 수 있습니다.다음과 같은 종류가 있습니다.

용융염 고속로

용융염 고속로(MSFR)는 플루오르화염 냉각수에 연료가 용해된 제안된 설계이다.MSFR은 향후 개발을 위해 Generation IV International Forum(GIF; 제4세대 국제 포럼)에 의해 선택된 두 가지 MSR 중 하나이며, 다른 하나는 FHR 또는 [1]AHR입니다.MSFR은 고속 중성자 스펙트럼에 기초하고 있으며 고체 연료 고속 원자로를 장기적으로 대체하는 것으로 여겨진다.그것들은 주로 유럽연합과 러시아 [24]연방에서 기본적인 물리적, 화학적 성질을 계산하고 결정함으로써 거의 10년 동안 연구되어 왔다.MSFR은 연료 부족이 없기 때문에 지속 가능한 것으로 간주됩니다.MSFR의 작동은 이론적으로 대량의 초우라닉(TRU) 요소를 생성하거나 필요로 하지 않습니다.MSFR에서 안정 상태가 되면 우라늄 농축 시설이 [25]더 이상 필요하지 않게 된다.

MSFR은 증식로일 수 있다.흑연과 같은 코어의 감속재 없이 작동하므로 흑연 수명은 더 이상 문제가 되지 않습니다.그 결과 토륨 연료 사이클에서 작동하는 고속 중성자 스펙트럼을 가진 증식로이다.MSFR은 비교적 작은 초기 재고를 보유하고 있습니다. MSFR은 노심 내부에 고형 물질이 없는 액체 연료로 작동합니다.이것은 고체 연료를 사용하는 원자로보다 훨씬 더 높은 특정 동력에 도달할 수 있는 가능성으로 이어진다.생성된 열은 열 전달 유체 안으로 직접 들어갑니다.MSFR에서는 소량의 용융염이 저장돼 핵분열 생성물 제거 처리를 거쳐 원자로로 돌아온다.이를 통해 MSFR은 원자로를 정지하지 않고 연료를 재처리할 수 있다.고체연료 원자로는 고체연료를 생산하고 사용후 핵연료를 처리하는 별도의 시설을 가지고 있기 때문에 고체연료 원자로와 비교하면 매우 다르다.MSFR은 온라인 연료 제어 및 유연한 연료 [26]처리로 인해 다양한 연료 조성물을 사용하여 작동할 수 있습니다.

표준 MSFR은 평균 연료 온도가 750C이고 총 연료 소금 부피가 18m인3 3000 MW번째 원자로이다.코어의 모양은 높이 대 지름 비율이 1인 소형 실린더로, 액체 불소 연료 소금이 바닥에서 위로 흐릅니다.소금의 순환은 위에서 아래로 16개 그룹의 펌프와 열 교환기로 구분됩니다.연료 소금은 전체 사이클을 완료하는 데 약 3~4초가 소요됩니다.작동 중 항상 총 연료 소금 부피의 절반은 코어에 있고 나머지는 외부 연료 회로(소금 수집기, 소금 기포 분리기, 연료 열 교환기, 펌프, 소금 인젝터 및 파이프)[26]에 있습니다.MSFR에는 감지 및 개방 기술과 같은 중복되고 신뢰할 수 있는 장치에 의해 트리거되고 달성되는 비상 배수 시스템이 포함되어 있습니다.운전 중에는 각 섹터의 펌프의 출력을 제어함으로써 연료염 순환속도를 조정할 수 있다.중간 오일 순환 속도는 중간 회로 펌프의 전원을 제어하여 조정할 수 있습니다.중간 교환기의 중간 오일 온도는 이중 바이패스를 사용하여 관리할 수 있습니다.이를 통해 변환 교환기 입구에 있는 중간 오일의 온도를 일정하게 유지하면서 중간 교환기 입구에서 제어된 방식으로 온도를 높일 수 있습니다.코어의 온도는 염분 농도를 낮추기 때문에 코어에 주입되는 기포의 비율을 변화시켜 조절할 수 있다.그 결과 연료염의 평균 온도를 낮출 수 있다.일반적으로 연료 소금 온도는 3%의 기포를 사용하여 100C까지 낮출 수 있습니다.MSFR에는 두 가지 배출 모드, 즉 제어된 루틴 배출 및 비상 배출 모드가 있습니다.제어된 루틴 배출 중에 연료 소금은 능동 냉각 저장 탱크로 전달됩니다.배출하기 전에 연료 온도를 낮출 수 있으며, 이로 인해 프로세스가 느려질 수 있습니다.이러한 유형의 배출은 섹터가 교체될 때 1년에서 5년마다 수행될 수 있습니다.긴급 배수는 운전 중 이상이 발생했을 때 실시합니다.연료 소금은 능동 장치 또는 수동적인 방법으로 비상 배출 탱크로 직접 배출할 수 있습니다.열 제거 손실 시 연료 소금 난방을 제한하려면 배출이 빨라야 합니다.

플루오르화염 냉각 고온 원자로

AHTR([27]advanced high temperature reactor)라고도 불리는 플루오르화염 냉각 고온 반응기(FHR)는 [1]또한 장기적으로는 유망한 것으로 간주되는 4세대 용융 염 원자로 변종이다.FHR/AHTR 원자로는 용융 플루오르화염과 함께 고체 연료 시스템을 냉각제로 사용한다.

연구 중인 초고온 원자로(VHTR)의 한 버전은 액체-소금 초고온 원자로(LS-VHTR)였다.단일 헬륨 루프가 아닌 1차 루프의 냉각수로 액체 소금을 사용합니다.흑연에 분산된 "TRISO" 연료에 의존합니다.초기 AHTR 연구는 흑연 막대 형태의 흑연에 초점을 맞췄지만, 현재의 연구는 주로 조약돌 형태의 [citation needed]연료에 초점을 맞추고 있다.그 LS-VHTR 매우 높은 온도에서(가장 녹은 소금 후보들이 끓는 온도, 1400°C&gt은),(대부분의 열화학적 사이클 750이상의 온도 요구하는 섭씨 온도)수소 생산 시설 조건에 맞추는 데 사용할 수 있는 저압 냉각;s에서helium-cooled 초고온 가스 냉각 원자로 운영보다 더 나은 전기 변환 효율성 일할 수 있나는사고 [citation needed]발생 시 수동 안전 시스템 및 핵분열 생성물의 더 나은 보존.

액체 플루오르화 토륨 원자로

액체 플루오르화 토륨 원자로(LFTR)라고 불리는 녹은 토륨 소금을 포함하는 원자로는 토륨 연료 사이클을 사용할 것이다.일본, 러시아, 호주, 미국 등의 민간기업과 중국 정부가 이 [28][29][30]기술을 개발하는 데 관심을 보이고 있다.

옹호론자들은 토륨 500톤이 1년 [31]동안 미국의 에너지 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 추정한다.미국 지질조사국(US Geological Survey)은 몬태나-이다호 국경의 레미패스 지역에 6만4000t의 [32]토륨 매장량이 있는 것으로 추정했다.

전통적으로 이러한 원자로는 용융염 증식로(MSBR) 또는 토륨 용융염 원자로(TMSR)로 알려져 있었으나 2000년대 초 커크 소렌센에 의해 LFTR이라는 이름이 리브랜드로 홍보되었다.

안정염 원자로

안정염 원자로는 기존의 LWR 연료 핀에 용융염 연료를 정적으로 유지하는 비교적 최근의 개념이다.연료 소금의 펌핑과 고방사성, 고온 및 화학적으로 복잡한 유체를 순환시키는 과정에서 발생하는 부식/증착/유지/격납 문제는 더 이상 필요하지 않습니다.연료 핀은 1차 냉각수 역할을 하는 별도의 비분열성 불소염에 담급니다.

이중 유체 용융 염 원자로

이중 유체 원자로의 원형 예는 납 냉각, 소금 연료 원자로이다.

역사

1950년대

미국 항공기 원자로 실험

Oak Ridge National Laboratory(ORNL)의 항공기 원자로 실험 건물.그것은 나중에 MSRE를 위해 개조되었다.

MSR 연구는 미국 항공기 핵추진 프로그램을 지원하기 위해 미국 항공기 원자로 실험(ARE)과 함께 시작되었다.ARE는 핵추진 폭격기의 엔진으로 사용하기 위해 높은 에너지 밀도를 얻기 위해 설계된 2.5 MWth 원자로 실험이었다.

이 프로젝트에는 열전달 원자로 실험(National Reactor Test Station, 현재 아이다호 국립연구소)의 HTRE-1, HTRE-2 및 HTRE-3이라고 불리는 고온 및 엔진 테스트와 오크 리지 국립연구소의 실험 고온 용융 염 원자로가 포함되어 있다.

ARE는 용융 플루오르화염 NaF-ZrF-UF44(53-41-6mol%)를 연료로 사용하며, 산화 베릴륨(BeO)에 의해 감속됩니다.액체 나트륨은 2차 냉각제였다.

이 실험의 최고 온도는 860°C였습니다.1954년 9일간 100MWh를 생산했다.이 실험에서는 인코넬 600 합금을 금속 구조 및 [9]배관에 사용했습니다.

MSR은 1957년 Oak Ridge 국립 연구소의 Critical Experiments 시설에서 운영되었습니다.그것은 Pratt & Whitney Aircraft Company (PWAC)의 순환 연료 원자로 프로그램의 일부였다.이것은 Pratt and Whitney Aircraft Reactor-1 (PWAR-1)이라고 불렸다.실험은 몇 주 동안 진행되었으며, 임계치에 도달했지만 기본적으로 0의 전력으로 수행되었습니다.작동 온도는 약 675°C(1,250°F)에서 일정하게 유지되었습니다.PWAR-1은 NaF-ZrF-UF를44 1차 연료와 냉각수로 사용했습니다.지금까지 구축된 [33]3개의 중요한 MSR 중 하나였습니다.

1960년대와 1970년대

미국 Oak Ridge의 MSRE

MSRE 플랜트[34] 다이어그램

Oak Ridge National Laboratory(ORNL)는 1960년대까지 MSR 연구에 앞장섰다.그들의 작업의 대부분은 용융염 원자로 실험(MSRE)으로 정점을 찍었다.MSRE는 액체 플루오르화 토륨 원자로(LFTR)라고 불리는 에피더말 토륨 용융염 증식로의 중성자 "커널"을 시뮬레이션한 7.4 MWth 테스트 원자로였다.중성자 측정을 위해 토륨염의 큰(비싼) 사육 담요는 생략되었다.

MSRE의 배관, 코어 바트 및 구조 부품은 열분해 흑연에 의해 감속된 하스텔로이-N으로 만들어졌습니다.1965년에 임계 상태가 되어 4년간 계속되었다.연료는 LiF-BeF-ZrF-UF244(65-29-5-1)mol%였다.흑연 코어가 그것을 조절했다.보조 냉각수는 FLiBe(2LiF-BeF2)였습니다.최대 650°C의 높은 온도에 도달하여 약 1.5년의 최대 출력 작동에 상당하는 온도에 도달했습니다.

미국 Oak Ridge의 이론적 설계

용융염 증식로

1970년부터 1976년까지 ORNL은 1970-1976년 동안 용융 염증식로(MSBR) 설계 동안 연구했다.연료는 흑연 감속재를 사용하여244 LiF-BeF-ThF-UF(72-16-12-0.4)mol%가 되어야 했다.2차 냉각수는 NaF-NaBF로4. 하고 피크 운전 온도는 705 °[8]C로 했다.4년간의 교체 일정을 따릅니다.MSR 프로그램은 1970년대 초에 액체 금속 고속 증식로(LMFBR)[35]를 위해 폐쇄되었고,[36][37][38] 그 후 미국에서 연구가 정체되었다.2011년 현재, ARE와 MSRE는 지금까지 가동된 유일한 용융염 원자로로 남아 있다.

MSBR 프로젝트는 1968년부터 1976년까지 6,720만[39] [40]달러(2020년 달러)의 자금을 지원받았다.

공식적으로 이 프로그램은 다음과 같은 이유로 취소되었습니다.

  • 미국의 이 프로그램에 대한 정치적, 기술적 지원은 지리적으로 너무 적었다.미국 내에서 그 기술은 [35]오크리지에서만 잘 알려져 있었다.
  • MSR 프로그램은 그 당시 고속 증식기 프로그램과 경쟁하고 있었는데, 이 프로그램은 일찍 시작되었고 많은 정부 개발 자금과 함께 국가의 많은 부분에 혜택을 주었다.MSR 개발 프로그램이 상업 개발로 이어지는 확장 프로그램을 정당화할 수 있을 정도로 충분히 진행되었을 때, 미국 원자력 위원회(AEC)는 LMFBR에서 경쟁 [35]프로그램으로 상당한 자금을 전용하는 것을 정당화할 수 없었다.
변성 용융염 원자로

변성 용융염 원자로(DMSR)는 Oak Ridge 이론적인 설계로 건설되지 않았다.

1980년 엥겔 외 연구진은 이 프로젝트가 "변성 우라늄-235(저농축 우라늄)를 연료로 하고 최소한의 화학 처리로 작동하는 용융염 발전로의 개념적 타당성을 검토한다"고 말했다.주요 설계 우선순위는 확산 [10]방지였습니다.DMSR은 이론적으로는 토륨이나 플루토늄으로 부분적으로 연료를 공급할 수 있지만 저농축우라늄(LEU)으로만 연료를 공급하면 증식 저항성을 극대화할 수 있습니다.

DMSR의 다른 목표는 연구 개발을 최소화하고 실현 가능성을 극대화하는 것이었다.IV세대 국제포럼(GIF)은 용융염 [7]원자로의 기술 격차로 "소금 처리"를 포함한다.DMSR 설계는 이론적으로 브리더가 [citation needed]아닌 버너이기 때문에 최소한의 화학 처리를 필요로 합니다.

영국

영국 원자력 연구 기관(AERE)은 Harwell, Culham, RisleyWinfrith국립 연구소에서 대체 MSR 설계를 개발하고 있었습니다.AERE는 [41]염화물을 사용하는 납 냉각 2.5 GWe 용융 염속 원자로(MSFR) 개념에 초점을 맞추기로 했다.그들은 또한 [42][43]냉각제로 헬륨 가스를 연구했다.

영국의 MSFR은 영국의 플루토늄 비축량 때문에 프로그램 연구 과학자들에 의해 '무료'로 간주되는 연료인 플루토늄에 의해 연료를 공급받았을 것이다.

서로 다른 설계에도 불구하고, ORNL과 AERE는 이 기간 동안 정보 교환과 전문가 방문으로 접촉을 유지했다.이 개념에 대한 이론적 연구는 1964년과 1966년 사이에 수행되었고, 실험 연구는 1968년과 1973년 사이에 진행 중이었다.이 프로그램은 연간 약 100,000~200,000파운드(2005년에는 200만~300만파운드에 상당)의 정부 자금을 지원받았다.이 자금 지원은 1974년에 종료되었는데, 부분적으로 던레이의 고속 원자로 프로토타입의 성공으로 인해 같은 [41]해에 자금 조달의 우선순위로 간주되었다.

소비에트 연방

소련에서는 1970년대 후반 쿠르차토프 연구소에서 용융염 원자로 연구가 시작됐다.여기에는 이론 및 실험 연구, 특히 용융 소금 용기 재료의 기계적 특성, 부식 및 방사선 특성 조사가 포함되었다.주요 연구결과는 물리적 또는 기술적 장애물이 MSR의 [44][45][46]실제 구현을 방해하지 않는다는 결론을 뒷받침했다.

21세기

핵융합 발전 및 기타 원자력 프로그램의 지속적인 지연온실가스([36][47]GHG) 배출을 최소화할 수 있는 에너지원에 대한 수요 증가로 인해 MSR의 관심은 새천년에 재개되었다.

상업/국내/국제 프로젝트

캐나다

캐나다에 본사를 둔 Terraphical Energy는 Integrated Molted Salt Reactor (IMSR)라고 불리는 DMSR 설계를 개발하고 있다.IMSR은 Small Modular Reactor(SMR; 소형 모듈러 리액터)로서 전개할 수 있도록 설계되어 있습니다.현재 인허가 중인 설계는 400MW 열(190MW 전기)이다.높은 작동 온도에서 IMSR은 전통적인 전력 시장뿐만 아니라 산업용 열 시장에도 적용됩니다.주요 설계 특징으로는 흑연으로부터의 중성자 감속, 저농축 우라늄의 연료 공급, 콤팩트하고 교환 가능한 코어 유닛이 있습니다.붕괴 열은 질소(비상 대체 공기로)를 사용하여 수동적으로 제거됩니다.후자의 기능을 사용하면, 산업 [48]전개에 필요한 조작의 심플화를 실현할 수 있습니다.

Terrestive는 2017년 캐나다 원자력안전위원회의 사전 면허 심사의 1단계를 완료했다. 이 심사에서는 설계 특성이 최종적으로 [49]원자로 건설 면허를 취득할 수 있을 만큼 일반적으로 안전하다는 규제 의견을 제시했다.

중국

중국은 2011년 1월에 토륨 연구 프로젝트를 시작하여 [28][2]2021년까지 약 30억 위안(5억 달러)을 투입했다.조약돌 바닥 기술에 기반한 고체 연료 버전(TMSR-SF)의 100 MW 시연기는 2024년까지 준비될 계획이었다.액체 연료(TMSR-LF)의 10 MW 파일럿과 대형 시연기는 각각 [50][51]2024년과 2035년을 목표로 했다.중국은 2메가와트 TMSR-LF1 [53]시제품을 시작으로 [52]2020년까지 우웨이 연구시설 지하에 12MW 원자로 2기를 건설하는 계획을 가속화했다.이 프로젝트는 새로운 내식성 [52]재료를 테스트하는 것을 목표로 했습니다.2017년, ANSTO/상하이 응용 물리학 연구소는 MSR에 [54][55]사용되는 NiMo-SiC 합금의 개발을 발표했습니다.2021년 중국은 우웨이 원형이 [56]9월부터 토륨에서 발전을 시작할 수 있다고 밝혔다.100 MW의 후계기는 높이 3미터,[57] 폭 2.5미터가 될 것으로 예상되었다.상업용 원자로에 대한 추가 작업은 2021년에 발표되었으며,[58] 2030년 완공을 목표로 하고 있다.

덴마크

코펜하겐 아토믹스는 대량 생산 가능한 용융 염 원자로를 개발하는 덴마크 용융 염 기술 회사입니다.코펜하겐 아토믹스 폐기물 버너는 단일 유체, 중수 감속, 불소 기반 열 스펙트럼 및 자율 제어 용융 염 원자로입니다.이 제품은 누출이 없는 40피트 스테인리스강 수송 컨테이너 안에 들어갈 수 있도록 설계되었습니다.중수 감속재는 소금으로부터 열적으로 절연되고 지속적으로 배출되고 50 °C 미만으로 냉각됩니다.용해된 리튬-7 중수소산화물(7LiOD) 감속재 버전도 연구되고 있습니다.원자로는 사용후 핵연료에서 분리된 플루토늄을 1세대 원자로의 초기 핵분열 부하로 사용하여 토륨 연료 사이클을 이용하고, 최종적으로 토륨 증식기로 [59]전환한다.코펜하겐 아토믹스는 밸브, 펌프, 열교환기, 측정 시스템, 소금 화학 및 정제 시스템, 용융 소금 [60]응용을 위한 제어 시스템과 소프트웨어를 적극적으로 개발하고 테스트하고 있습니다.

Seaborg Technologies는 소형 용융염 원자로를 위한 노심을 개발하고 있다.CMSR은 시판되고 있는 저농축 우라늄에 임계값이 되도록 설계된 고온 단일 염분 열 MSR입니다.CMSR 설계는 모듈러형이며 독점적인 NaOH [36][61]모델레이터를 사용합니다.원자로 노심은 12년마다 교체될 것으로 추정된다.운전 중에는 연료는 교체되지 않으며 12년 원자로 수명 동안 연소됩니다.Seaborg 코어의 첫 번째 버전은th 250 MW의 전력과 100e MW의 전력을 생산할 계획이다.발전소로서 CMSR은 약 200,000가구에 [62]전기, 깨끗한 물, 냉난방 등을 공급할 수 있습니다.

프랑스.

CNRS 프로젝트 EVOL(액체연료 고속로 시스템 평가 및 실행 가능성) 프로젝트는 [64]용융염 고속로(MSFR)[63] 설계 제안을 목적으로 2014년에 최종 보고서를 발표했다.FHR, MOSART, MSFR, TMSR 등 다양한 MSR 프로젝트에는 공통의 연구 개발 [65]주제가 있습니다.

EVOL 프로젝트는 여러 유럽 연구 기관과 대학이 [66]협력하는 용융염 고속 원자로(SAMOFAR) 프로젝트에 의해 계속된다.

독일.

베를린에 있는 독일 고체 핵물리학 연구소는 고속 증식기 납 냉각 MSR의 개념으로 이중 유체 원자로를 제안했다.원래의 MSR 개념은 핵분열 물질을 제공하고 열을 제거하기 위해 유체 소금을 사용했습니다.따라서 필요한 흐름 속도에 문제가 있었습니다.서로 다른 2개의 액체를 서로 다른 원 모양으로 사용하면 문제가 [citation needed]해결됩니다.

인도

2015년 인도 연구진은 인도의 3단계 원자력 프로그램[68]따라 토륨 기반 원자로의 대체 경로로 MSR [67]설계를 발표했다.

인도네시아

토르콘은 인도네시아 [69]시장용으로 TMSR-500 용융염 원자로를 개발하고 있다.국가연구혁신기관은 2022년 3월 29일 원자력연구기구를 통해 MSR 원자로 연구에 대한 관심 갱신을 발표했으며, 토륨 [70][71]연료 원자로의 MSR을 연구하고 개발할 계획을 세웠다.

일본.

후지 용융염 원자로는 오크릿지e 프로젝트와 유사한 기술을 사용하는 100~200MW의 LFTR이다.일본, 미국, 러시아 등 3개국 회원들로 구성된 컨소시엄이 이 프로젝트를 개발하고 있다.이 프로젝트는 실물 크기의 [72]원자로를 개발하는 데 20년이 걸릴 것으로 보이지만, [29]이 프로젝트는 자금이 부족한 것으로 보인다.

러시아

2020년에 Rosatom은 10MWth FLiBe 버너 MSR을 구축할 계획을 발표했습니다.그것은 재처리VVER 사용후 핵연료에서 나오는 플루토늄과 작은 액티니드의 플루오르화물의해 연료화 될 것이다.그것은 2031년에 마이닝케미컬 [73][74]콤바인으로 출시될 예정이다.

영국

Alvin Weinberg Foundation은 2011년에 설립된 영국의 비영리 단체로, 토륨 에너지와 LFTR의 가능성에 대한 인식을 높이기 위해 노력하고 있습니다.그것은 2011년 [75][76][77]9월 8일 상원에서 정식으로 출범했다.그것은 미국의 핵물리학자인 앨빈 M의 이름을 따서 지어졌다. Weinberg는 토륨 MSR 연구를 개척했다.

Moltex Energy가 설계한 안정염 원자로는 영국의 혁신 기관인 Innovate [78]UK가 의뢰한 2015년 연구에서 영국 구현을 위한 6가지 MSR 설계 중 가장 적합한 것으로 선정되었다.영국 정부의 [79]지원은 약했지만 몰텍스는 캐나다 [80]포인트 레프로의 파일럿 플랜트 개발과 IDOM(국제 엔지니어링 회사)[81]의 자금 지원을 위해 뉴브런즈윅 파워로부터 지원을 받아 현재 캐나다 벤더 설계 리뷰 [82]프로세스에 참여하고 있습니다.

미국

아이다호 국립 연구소[when?] 용융 염 냉각, 용융 염 연료 원자로를 설계했으며 예상 출력은 1000e [83]MW였다.

NASA 과학자이자 텔레다인 브라운 엔지니어링의 수석 핵 기술자인 커크 소렌센은 액체 플루오르화 토륨 원자로라는 용어를 만든 토륨 연료 사이클의 오랜 추진자입니다.2011년 소렌센은 군사기지에 전력을 공급하기 위해 20~50MW의 LFTR 원자로 설계를 개발하는 것을 목표로 하는 기업 플리베 [36]에너지를 설립했다.(미국 원자력 규제 환경에서 [30][84][85][86]민간 발전소 설계보다 새로운 군사 설계를 승인하는 것이 더 쉽다.)

트랜스아토믹 파워는 2011년부터 2018년 가동을 중단하고 연구를 [88][89]오픈소싱할 때까지 기존 사용후 핵연료[87]소비하기 위한 폐기물 정화 용융염 원자로(WAMSR)를 추진했다.

2016년 1월, 미국 에너지부4세대 원자로 [90]설계 개발을 위한 8천만 달러의 상금을 발표했다. 두 수혜 기업 중 하나인 Southern Company는 이 자금을 [41][36]영국 과학자들에 의해 이전에 개발된 MSR의 일종인 용융 염화물 고속 원자로를 개발하는 데 사용할 것이다.

2021년 테네시 밸리 당국(TVA)과 카이로스 파워는 TRISO 연료의 불소염 냉각 50MWt 시험로를 테네시 [91]주 오크 리지에 배치할 것이라고 발표했다.또한 2021년, 서던 컴퍼니는 테라파워 및 미국 에너지부와 협력하여 아이다호 국립 [92]연구소에 최초의 고속 스펙트럼 염화물 원자로인 '몰트 염화물 원자로 실험'을 건설할 계획을 발표했다.

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메모들

  1. ^ "분열 제품(Xe와 Kr 제외)과 핵물질은 소금에 매우 잘 녹으며, 작동 및 예상되는 사고 조건 하에서 소금에 남아 있을 것입니다.용해되지 않는 핵분열 생성물(예: Xe, Kr)은 용해된 연료 소금에서 지속적으로 제거되어 응고되고 포장되어 수동 냉각 저장고에 보관된다.": Charles.포르스버그[3]: 4
  2. ^ 액체 플루오르화 토륨 원자로인 TMSR-500은 3기압에서 550°~700°의 온도에서 작동합니다.이 설계에서, 기체 [4]핵분열 부산물 Xe와 Kr은 헬륨 스파지에 의해 약 1주일 후에 저장 탱크로 분리되며, 저장 탱크의 방사능은 감소한다.헬륨은 [5]재활용됩니다.

레퍼런스

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